Энергетическая оценка обработки почвы

Введение. Известно, что механическая обработка почвы почвообрабатывающими орудиями является одной из наиболее энергоемких операций в земледельческой механике. Суть такой обработки состоит в изменении исходного состояния почвенной среды и получении требующихся по агротехнике показателей состояния почвы, необходимых для возделывания различных культур. При этом применяемые технологии почвообработки позволяют выполнять разные технологические операции. Основными из них являются такие операции, как подрезание, рыхление, оборачивание, перемешивание, крошение и т.д. В основе всех операций лежит понятие нарушения целостной структуры почвенного массива, как результат разрушения не всего почвенного массива, а некоторой ее обрабатываемой части. Именно изменение структуры последней и определяет такие свойства, как плотность, твердость, влажность, пористость почвенной среды [1, 2, 3].

Методика исследования. Подводимая энергия от энергетического средства (трактора), передаваемая рабочим органом почвенной сре- де, тратится на изменение исходного состояния и получение требуемых свойств обрабатываемого почвенного пласта. Этот процесс передачи энергии можно представить как механикотехнологическую систему (рисунок 1).

Условия функционирования рассматриваемой системы предусматривают учет входных и выходных показателей. К входным показателям относятся тип и физико-механические свойства обрабатываемой среды, а к выходным – полученные при этом агротехнические показатели и энергоемкость процесса почвообработки.

Известно [2, 4, 5, 6], что для процесса разрушения некоторого материала необходимо достижение предельного (критического) состояния, за которым происходит его разрушение (разделение) на части и образование новых поверхностей. Этот процесс оценивается такими показателями, как напряжения (например, касательные и нормальные) и деформации, возникающие в разных точках рассматриваемой среды. Причем значения напряжений характеризуют предельное состояние, а значения деформаций – образование трещин материала.

Рисунок 1 – Механико-технологическая система обработки пласта почвы

Существующий механизм обработки почвы предусматривает последовательную передачу обрабатываемому пласту тягового усилия, возникающего на поверхности рабочего органа. Поэтому процесс преобразования подводимой энергии рабочим органом служит показателем оценки расхода энергии, идущей на деформацию обрабатываемого почвенного слоя. Этот показатель является критерием оценки энергоемкости почвообработки.

С целью энергооценки различных технологических процессов обработки почвы используют целый ряд удельных показателей. Наиболее распространенным показателем в почвооб-работке является коэффициент удельного сопротивления почвы. Значения этого показателя зависят от ряда факторов (например, типа и состояния почвенной среды, режимов работы агрегата, используемых способов обработки и др.) и учесть их в полной мере не представляется возможным.

Подводя итог, отметим, что для оценки энергоемкости обработки почвы необходимо знание происходящих в почвенном пласте всех физических и механических процессов и описание их математическими (аналитическими) зависимостями.

Результаты и их обсуждение. В последние годы делаются попытки уточнения понятия «коэффициент полезного действия (КПД) орудия» и методики его определения [7, 8, 9, 10]. Рекомендуется КПД орудия ( η ор ) расчленять

на механическую ( η мех ) и технологическую ( η тех ) составляющие, характеризующие энергетическое совершенство конструкции орудия и рабочих органов, соответственно:

Л ор   Мімех^тех •

Логичность формулы (1) несомненна, но определение по ней полезной составляющей энергии, идущей на осуществление процесса обработки почвенной среды, довольно сложно. Кроме того, формула не учитывает показатели качественной оценки работы орудия.

Введем обозначения: А – полная работа, затраченная на выполнение процесса обработки почвенного пласта орудием; А ро – фактическая работа, затраченная рабочими органами при взаимодействии их с почвенным пластом;

– агротехническая (полезная) работа, затраченная рабочими органами на обработку почвенного пласта.

Тогда можно записать:

агр

A ро           A р о

П0Р=   , ' Мем«х= Т; Ттех

АА

A агр

А ро

.      (2)

Если перейти к затратам работ в единицу времени, то КПД орудия выразится через отношение соответствующих мощностей:

_Nаг р

ор

N

•

Если учитывать, что применяемые технологии почвообработки предусматривают различ-

ные каналы передачи энергии, то можно оценить КПД орудия ( η ор ) для разных рабочих органов:

– пассивные:

– активные:

П ор

Nагр ро

Nагр ро

^А ор

Nагр ро

N

ВОМ

Nагр ро

^Nе " Пк . К .

кр

N е ■ Тк . К .

– комбинированные:

Nагр

К          ро ор  Nкр  NВОМ

Nагр ро

N. (^ *П_Т . K +Р'Лп.K . )’

где N e – эффективная мощность двигателя трактора;

N кр и N вом – мощность соответственно на тяговом (крюковом) и прямом (активном через ВОМ) канале;

η т.к , η п.к – КПД каналов тяговой и прямой передач энергии;

и – коэффициенты загрузки тягового и прямого каналов ( + =1).

Полученные формулы (4, 5, 6) позволяют оценивать степень совершенства орудия в том случае, если полезная работа по величине будет соответствовать минимально затраченной работе для изменения и получения требуемого свойства обрабатываемого слоя почвы. В поч-вообработке таким критерием оценки может быть, например, степень крошения почвы. Поэтому для энергооценки работы различных рабочих органов необходимо располагать информацией о количестве и качестве подведенной энергии к почвенному пласту А ро (формула 6), а также полезной энергией, идущей на образование новых поверхностей (крошение) почвенной среды . В конечном итоге, необходимо знать КПД технологии ( тех ).

Для энергооценки почвообработки используют такой обобщенный показатель, как удельная энергоемкость. Этот показатель оценивается удельными затратами на единицу выполненной работы (Дж/га) и слагается из суммарных затрат, необходимых на обработку почвы, транспортирование орудия, передвижение агрегата по полю. Однако данный показатель не дает возможности провести объективную энергооценку техпроцесса обработки почвы различными рабочими органами орудия. На наш взгляд, основным критерием энергооценки поч- вообработки должен быть показатель, который учитывал бы меру интенсивности воздействия рабочим органом на пласт почвы.

Тогда, для обоснования критерии энергооценки почвообработки, исходим из того, что общая энергоемкость процесса обработки пласта почвы рабочим органом ( Е ро ) определится отношением работы на деформацию почвенной среды рабочим органом ( А ро ) ко всему объему обрабатываемой почвы ( V ):

A

E ,о-     ■                (7)

Если числитель и знаменатель формулы (7) разделить на длину хода рабочего органа, получим:

R

E_Р0=і ро ,            (8)

Fcp где Rро – среднее тяговое сопротивление рабочего органа;

F ср – площадь сечения пласта.

Известно [8, 9], что при определении величины R ро необходимо знать тяговое сопротивление рабочего органа R x и учитывать коэффициент энергоемкости k э : R ро =k э R x . Значение коэффициента k э определяется состоянием почвенной среды: для сухих – 0,4–0,5; для пластичных – 0,8–0,9.

Для определения величины R x рассмотрим расчетные схемы процесса взаимодействия двугранного и трехгранного клина с почвенной средой (рисунки 2 и 3).

С целью установления составляющих тягового сопротивления клиньев использованы подходы, рассмотренные в работах С.Н. Капова [5–7], согласно которым получены зависимости:

– для двугранного клина:

R A Am hb xv

+■ C • cos^y + A 'Ү 'h'b'v²

;

Рисунок 2 – Расчетная схема процесса взаимодействия двугранного клина с почвой

Рисунок 3 – Расчетная схема процесса взаимодействия трехгранного клина с почвой

– для трехгранного клина:

R

A  A 1 m v hb

У •hg

+ C cos ф +A9 ‘ / h b v ² ,

где h – глубина обработки почвы, м;

b – ширина захвата клина, м;

v – скорость движения клина, м/с²;

С – сцепление почвы, кН/м²;

У – плотности почвенного пласта, кг/м³;

у – плотность разрыхленной почвенной среды, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с².

Входящие в формулы (9) и (10) величины вычисляются следующими соотношениями:

A ЭС   1+ ctg а • tg ^ , A ₉ = sin X • cos У /sin Z + ^ , A X   ¹+ ctg X’ tg (р ^,

1 sin <р • cos2 о

A sin а* cos ^ /sin ал-и/ , A                   ,

,11 + sin ф ■ cos2 , где a – угол постановки двугранного клина, град.;

V – угол поверхностного сдвига почвенного пласта, град.;

φ и ρ – соответственно угол внутреннего и внешнего трения почвы, град.;

2 co = 2 71- 2 а-ф- arcsin sin Ф • sin p .

В общем, физику процесса взаимодействия клиньев с почвенной средой можно объяснить, если полученные зависимости (9) и (10) представить как

R x h b K m + K p + K k , (11) где K_m 0,5 m_vA • A ₁ •/ • h g – коэффициент, характеризующий затраты энергии на преодоление давления пласта почвы на клине, кН;

K m A A C cos Ф – коэффициент, характеризующий затраты энергии на процесс разрушения пласта почвы, кН;

KA -/p • v ² – коэффициент, характеризующий затраты энергии на изменение направления скорости движения пласта почвы по клину.

Согласно рисунку 3, при определении составляющей Rx угол α заменяется углом X , который     вычисляется     зависимостью:

x- arcsin sin 8- sin Ө . Здесь ε и Θ – углы установки трехгранного клина соответственно к стенке и ко дну борозды.

В дальнейшем полученную формулу (11) запишем как сумму составляющих тягового сопротивления, соответственно: на преодоление давления пласта почвы ( R Xm ), на разрушение пласта почвы ( R Xp ), а также на изменение направления скорости движения пласта почвы по поверхности рабочего органа ( R Xk ):

^Rx  ^RXm + ^RXp + RXk ,     (12)

где R_Xm  h b K m , R_Xp  h b K p ,

R Xk   h b K k .

Составляющие зависимости (12) показывают, что общие тяговые сопротивления клиньев складываются из затрат энергии, обусловленных деформацией, разрушением и транспортированием пласта почвы.

Рисунок 4 – Зависимости изменения составляющих тягового сопротивления R Xm , R Xp , R Xk от глубины хода рабочего органа h

На рисунке 4 приведены графические зависимости, построенные по формуле (12). Их анализ, показывает, что при изменении глубины обработки почвы h от 0,1 до 0,3 м значения составляющих RXm, RXp, RXk тягового сопротивления рабочего органа Rx имеют разный характер поведения. Если при h =0,1 м величина RXp составляет 58%, RXk – 24%, RXm – 17%, то при h = 0,3 м значение RXp уменьшается до 39%, RXk – до 16%, а значение величины RXm увеличивается до 47%. Наблюдается тенденция умень- шения общей доли составляющих RXp и RXk при одновременном увеличении составляющей RXm.

Это позволяет заключить, что для качественной обработки почвенной среды (например, повышение степени крошения почвы) рекомендуется обрабатывать почвенный слой на «критическую» глубину h кр , которая выбирается из условия, что R Xp >  R Xm . При этом до значения h кр основная доля энергии, подведенная к рабочему органу, расходуется на выполнение полезной работы, а именно, на деформацию и дальнейшее крошение почвенной среды.

Что касается величины F CP (см. формулу 8), то существуют такие типы рабочих органов (например: щелеватели, чизельные стойки и др.), которые пласт почвы обрабатывают не по всей ширине захвата. Работу подобных рабочих органов целесообразно оценивать через коэффициент полноты рыхления £, который будет определяться отношением фактической ширины деформации (В) к конструктивной ширине рабочего органа (b): В/b.

Тогда можно записать, что hb

F_CP= ~ • (13)

Поставив формулы (11) и (13) в (8), получим зависимость для оценки энергоемкости процесса обработки рабочими органами орудия [2, 3]:

E ро = к,- <ИК . +K , +K _t ), или

Eро =( Em+Ep+Ek), (14) Здесь Ет-кэ.^ -Кт,

E _р k_э K _р и E _k k _э K _k соответ-ственно удельные затраты энергии на преодоление давления на разрушение и на изменение направления скорости движения пласта почвы по клину, Дж/м³.

Анализ составляющих формулы (14) показал, что доля удельных затрат энергии, расходуемой на процесс разрушения пласта почвы, может достигать 35–40% от всех затрат.

На основе проведенных исследований можно сделать следующие выводы.

• 1.    Степень совершенствования применяемой технологии в почвообработке целесообразно оценивать с учетом энергии, затрачиваемой на выполнение агрономически полезной работы.

• 2.    Проведена энергетическая оценка КПД орудия ( η ор ) с различными типами рабочих органов: пассивными, активными и комбинированными.

• 3.    Получено, что общее тяговое сопротивление дву- и трехгранного клина складывается из затрат энергии, обусловленных инерционными силами (деформацией), разрушением и транспортированием обрабатываемого пласта почвы.

• 4.    Показано, что доля удельных затрат энергии, расходуемой на процесс разрушения

(крошения) почвы, может достигать 35–40% от всех затрат.